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3상 PFC를 위한 설계 고찰
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3상 PFC를 위한 설계 고찰
 
John Bottrill
Senior Application Manager
Texas Instruments
 

단일 위상 PFC(Power Factor Correction)시스템과 더불어 3상 위상 전력 시스템의 전압을 추적하는 전류 파형에 대한 필요가 2차적인 요구조건을 이끌어 낸다. 높은 역률(전류 파형은 전압 파형을 추적)을 필요로 하는 3상 위상 이외에도, 각 위상에서 소비되는 전력이 동일해야 한다는 또 다른 요건이 존재하고 있다.

본 원고에서는 이 기능을 제공하는 방법에 대해 논의하고자 한다. 또한, 각각의 필수 요소를 설계하는 방법에 대해 더 많은 자료를 제공할 것이다.

그림 1은 각각의 위상과 관련된 3상의 각 단계에서 전압과의 관계를 보여준다. 위상 0은 가장 두꺼운(붉은색) 선이다. 위상 1(검은색)은 120도까지 위상 0을 주도한다. 위상 2(보라색)는 120도까지 위상 0을 추적하고 있다. (이 수치에서 x = 25일 때, 각도는 π 라디언)

그림 1. 시간의 함수로써 전압을 보여주는 3상 전력 라인의 전압 파형

처음 이 문제가 나타날 때, 대부분의 설계자는 프론트 엔드 상의 PFC 컨버터에서 구동하는 3상 정류기가 솔루션을 제공한다고 가정할 것이다.

설계자가 3상을 채택해 그림 2처럼 PFC에 3상을 연결한다면, 3가지의 리드에서 전류 파형은 올바른 결과가 나오지 않을 것이다.

그림 2. 실행 불가능한 3상 PFC


그림 3.
그림 2의 회로 결과에 따른 전류

그림 3의 파형에서처럼, 각 위상에서 전류는 실제 전압이 제로 볼트 이상이라고 하더라도, 상당부분 시간이 불연속적이다. PFC 회로는 PFC에 대한 입력 전류가 라인과 중립 사이에 연결된 레지스터가 진행하는 것처럼 보이게 하는 것이 중요하다. 따라서, 전류 파형은 전력 소비를 가능하게 하는 스케일링을 이용해 그림 1의 전압처럼 동일하게 해야 한다.

여기에 필요한 솔루션은 각 라인을 위한 PFC 함수를 제공하는 것으로, 동시에 각 라인의 부하가 균형되어야 한다. 이는 3가지의 메인 빌딩 블록과 함께 부속 회로를 필요로 한다.

각 라인의 첫 번째 회로에서는 시스템으로 들어오는 것이 PFC 컨버터 섹션이라는 것을 볼 수 있으며, 이것은 각각에서 독립된 3가지 PFC 컨버터로 구성되어 있다. 이러한 설계는 약 50% 이상의 전력을 순간적으로 허용해야 하지만, 약 15% 정도의 더 많은 전력이 온도상으로 허용되어야 한다. PFC 섹션의 설계는 참조 1에 기술되어 있다.

두 번째 시스템 단계는 다운스트림 컨버터이다. 이 컨버터 제품들은 부하를 구동시키기 위한 출력의 위치이다. 절연은 각 컨버터의 입력 출력 사이에 필요하며, 모든 출력은 서로 연결될 것이다. 모든 장치들은 작동해야 하며, 함께 움직여야 한다. 따라서, 이러한 장치용 컨트롤러는 컨버터의 2차 측에 위치되어야 한다.

각각의 다운스트림 컨버터는 공통의 접지 포인트에서 독립형 장치로써 동작해야 한다. 그러나, 이 컨버터 제품 모두는 서로 연결되어 부하를 공유할 수 있다. 2차 컨버터가 독립적으로 동작해야 하는 이유는 각 장치의 입력 전압이 서로 다른 PFC의 출력이기 때문으로, 이들은 서로 다른 입력 레벨이다. 이것은 개별적인 컨트롤러를 요구한다. 이 때, PFC 컨버터 출력 각각은 2배의 라인 주파수에서 중요한 리플과 120도 위상 차이를 가지고 있다.

또한 이 지점은 출력이 부하를 공유해야 하는 곳이기 때문에, 단일 컨트롤러는 동작하지 않을 것이다. 컨트롤러가 전류 레벨이 부하 공유가 되도록 조정해야 하기 때문이다. 따라서 이러한 컨버터 설계는 리모트 센싱을 통합해야 하며 부하를 공유할 수 있도록 해야 한다.


3상 입력을 사용한 전력 레벨에서, 위상 변경 풀 브리지는 서로 다른 토폴로지에서 여러 장점을 제공한다. 위상 변경 풀 브리지의 설계는 참고 2, 참고 3에서 논의된다.

위상 변경의 풀 브리지 컨버터의 1차 측에서 전력 스위치들은 트랜스포머를 통해 구동된다. 모든 3상 변경 컨트롤러는 동일한 부하를 구동시키기 위해 필요한데, 이것은 어디에서 절연이 제공되는가에 대한 단계이기 때문에 2차 측에서 제어 IC를 갖추는 것이 합리적이다. 트랜스포머의 사용을 통해, 이와 같은 경우에 필요한 절연 기능이 제공된다.

3단계는 부하 공유 회로이다. 이 단계는 각각의 다운스트림 컨버터에서 출력을 모니터하며, 출력들이 부하를 동일하게 공유할 수 있게 한다. 이것은 차례로 PFC 섹션을 동일한 전력 양을 입력 라인으로 끌어올 수 있게 하며, 그 결과 3상에서 부하 밸런싱의 효과를 거둘 수 있다. 참고 4는 부하 공유 회로를 위한 설계 가이드이다.

그림 4는 3상 역률 보정을 달성하기 위해 필요한 기본적인 회로이다.


그림 4.
입력 전류 제한 제어를 포함한 기본적인 3상 PFC 회로

보조 회로는 하우스키핑 전력, 동기화, 스타트업, 모니터링 등 다른 기능을 위해 제공한다.
보조 회로의 첫 번째는 내부 보조 전원 공급장치이다. 모든 PFC 컨버터는 절연된 공급장치에서 전원을 공급 받아야 하며, 2차적인 컨트롤러 및 다른 여러 보조 회로는 2차 컨버터가 전력을 공급 받기 전에 절연된 전력을 요구한다. 개별적인 하우스키핑 컨버터는 필수적인 기능이다. PFC 섹션의 각각은 동일하기 때문에, 이 하우스키핑 컨버터는 1차 측의 PFC 컨버터 각각에 절연 출력으로 자체 3상 정류를 갖추며, 2차 측 다운스트림 컨버터와 전류 공유 회로에 대한 출력을 갖는다.

또 다른 필수적인 회로는 스위치/전류 제한의 형태로, 대규모 전류 펄스나 PFC 출력 전압의 공진형 오버슈트 없이 PFC 출력 커패시터의 초기 충전을 가능하게 한다. 이것은 릴레이 및 레지스터로써, 그림 4에 제시되어 있다. 릴레이가 활성화되어 PFC가 동작을 시작하기 전에, 레지스터는 PFC 커패시터의 출력을 충전할 수 있다. 이것은 각 PFC의 출력 커패시터 전압 및 릴레이 드라이버의 절연형 전압 모니터링을 요구한다. 이 때, 보조 전원은 릴레이에 전압을 주는 전력을 제공하며, 전력은 이 섹션을 최대 전력을 가져올 수 있는 PFC 섹션을 제공한다.
일단, 3가지의 모든 PFC가 구현되고 최대 전압으로 실현되면(이는 2차적인 전압 모니터를 필요로 한다), 모든 2차 컨버터는 동시다발적으로 전력을 공급 받게 된다. 또 소프트스타트 하에서 실현될 수 있어 동일한 속도에 이를 수 있다. 모든 컨버터들이 출력에서 동일한 접지 포인트를 갖기 때문에, 동시 동작형의 스타트를 달성하는 회로는 상대적으로 설계하기 쉽다. 모든 PFC 출력이 최대 값을 갖기 위해, 각각의 PFC에서의 모니터 회로는 PFC 출력 전압을 모니터하고, 옵토커플러를 구동시키는 1차 측에서 비교기만큼 단순해진다. 옵토커플러의 광 트랜지스터가 직렬로 연결되고 세 가지 모두 활성화될 경우, 이것은 전압을 하강시키고 3개의 컨버터를 해방시킬 것이다.

각각의 다운스트림 컨버터들은 컨버터의 출력 전압 레벨 세트에 도달한다. 때문에 이 컨버터들이 자신들의 전류를 단계적으로 되돌려 주고, 과전압 셧다운으로 진행되지 않게 하는 것이 중요하다. 이는 또 다른 컨버터들이 출력 전압을 지속적으로 상승시킬 때, 출력 전압이 일정 수준까지 상승하기 때문이다. 각기 최대 전류에 도달될 때, 최대 전류로 진행되어야 하며 셧다운 되어서도 안 된다. 이것은 전류 공유 회로 시간이 동작할 수 있고, 부하를 공유해야 하기 때문에 필수적이라고 할 수 있다.

물론, 극도의 과전압은 모든 장치들은 셧다운 시켜야 한다. 전류가 너무 과도할 경우에 장치는 전류를 제한해야 하며, 출력 단락의 경우에는 손상을 막기 위해 단락 지연 이후 셧다운 되어야 한다.

또 다른 회로는 모든 컨버터가 동일한 주파수로 동기화되기 위해 필수적이다. 보통, PFC/다운스트림 컨버터 구성에서, PFC는 다운스트림 컨버터로 동기화된다. 그러나 3가지의 다운스트림 컨버터가 존재하기 때문에, 하나는 마스터가 되어야 하며 또 다른 것들은 슬레이브가 되어야 할 것이다. 각각의 PFC/다운스트림 컨버터 결합은 동일해야 것이 바람직스럽기 때문에, 모든 것이 내부 하우스키핑 컨버터로 동기화되거나 일부 복합적인 컨버터로 동기화할 것을 추천한다.

참고
1. PFC 섹션의 일반적인 설계는 UCC3817를 위한 TI 자료 “UCC3817 BiCMOS 역률 프리레귤레이터 평가 보드(Rev. C) (sluu077c.pdf)”에 설명되어 있다.
웹사이트 www.ti.com/sc/device/ucc3817 참조.

2. TI, UC3875에 대한 데이터 시트는 위상 변환 컨트롤러 설계(UC3875.pdf)를 설명하는 애플리케이션 섹션이 포함되어 있다. 웹사이트 www.ti.com/sc/device/ucc3875 참조.

3. UCC3895 고성능 위상 컨트롤러 평가 보드(sluu069a.pdf)는 2세대 위상 변환 풀 브리지를 이용한 설계를 보여준다. 웹사이트 www.ti.com/sc/device/ucc3895 참조.

4. TI, UCC39002에 대한 애플리케이션 섹션은 이 기능이 전류 공유 기능을 실행시키는 방법에 대한 설명한다. 웹사이트 www.ti.com/sc/device/ucc39002 참조.


 
- EE Times 11월 19일